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桥梁振动控制

/bridge vibration control/
条目作者孙利民

孙利民

最后更新 2023-06-05
浏览 195
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研究抑制桥梁结构振动的理论方法及开发相应的控制装置。是振动工程领域的一个重要分支。

英文名称
bridge vibration control
所属学科
土木工程

桥梁结构振动控制最初主要针对地震引起的振动,以提升结构的抗震安全性为目标。19世纪60年代,南斯拉夫提出了隔震的概念,并建造了实验性的小学校舍,1975年新西兰人W.H.罗宾森发明了铅芯叠层橡胶隔震支座,推动了隔震技术在桥梁及建筑工程中的应用。受机械、造船、航空航天领域的启发和影响,20世纪70年代后,土木工程领域开始关注采用机械装置对结构进行被动或主动控制的研究与应用。1973年,调谐质量阻尼器(tuned mass damper; TMD)被首次应用于加拿大多伦多电视塔来减小风引起的振动。20世纪80年代起,结构振动控制研究成为土木工程领域热门研究课题之一,特别是在主动控制理论研究和装置的开发方面。1989年在日本东京京桥成和大厦实现了世界首例主动质量阻尼器(active mass damper; AMD)的应用。20世纪90年代以后半主动控制和被动阻尼耗能装置的研究受到重视,并在桥梁及结构工程中得到越来越多的应用。

桥梁结构在地震、风、车辆及行人等动荷载作用下会发生振动,由此带来结构安全性或适用性问题。随着建筑材料向轻质、高强、低阻尼的方向发展以及结构尺度的增大,桥梁的振动问题也日显突出。典型的桥梁振动现象及损害包括:地震作用下桥梁结构如墩(塔)、梁的加速度和位移响应,可能导致墩(塔)的破坏、支座的损坏甚至落梁;风引起的大跨度桥梁主梁、主塔、缆索等结构单元的大位移响应,可能导致结构强度破坏或失稳;车辆、行人引起的主梁振动或共振现象,可能影响行车安全等适用性甚至结构的安全性。桥梁振动控制的目的就是通过各种方式和原理,减小结构的加速度和位移响应。

桥梁振动控制的主要方式包括3类:被动控制、主动控制和半主动控制。

被动控制。通过减小外部动力荷载的作用效应、加强结构耗能能力、优化结构动力特性等来实现控制目标。具体的手段有隔震、气动措施、阻尼耗能构件和装置、调谐质量阻尼器等。被动控制方式简单经济,不需要外部能量的供给,也不需要结构输入和响应信息,是实际工程采用最多的方式。但其控制效率有时不尽理想,如耗能构件和装置需要安装在结构内部能产生一定相对速度的位置,另外TMD只能针对结构响应的单一模态等。

主动控制。基于现代控制理论的一种更为智能化的控制方式。其主要特点是通过给结构施加外部作用力来实现对结构的控制,它需要得到结构的实时荷载输入和响应信息,通过预设了控制算法的计算机(控制器)算出所需控制力,然后向施力装置(作动器)发出指令来给结构加力。施力方式主要有两种:在结构内部能产生相对位移的两点间施加内力,或将外力直接作用于结构。其中,后者的应用更为普遍,典型装置是主动质量阻尼器。代表性的控制理论有最优控制(LQ控制)和鲁棒控制(H控制)等。主动控制方式具有较为完善的理论体系,对复杂结构能够实现多模态控制,控制效果好且具有更大的灵活性。但其装置系统复杂,对于大型结构需要提供很大的能源供给,而且有可能发生控制不稳定的情形,因此其实际的工程应用受到了较大的限制。

半主动控制。其特点介于前两者之间,它需要简单的结构响应信息(如位移、速度等),通过简单的控制算法计算(通常可用简单的芯片完成)来发出指令,对控制装置的特性进行改变,实时优化控制效果。半主动控制仅需要很小的外部能量来控制装置性能,系统构成更为简单,与被动控制方式相比,控制效果也能有一定的改善,典型的半主动控制装置为磁流变阻尼器。

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